固體與半導(dǎo)體物理第七章

第1頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四合金法離子注入法擴(kuò)散法外延生長(zhǎng)法1.突變結(jié)在結(jié)處雜質(zhì)分布突然變化2.緩變結(jié)在結(jié)處雜質(zhì)分布隨距離變化第2頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(二)p－n結(jié)的空間電荷區(qū)1.空間電荷區(qū)載流子濃度不均勻產(chǎn)生擴(kuò)散2.自建場(chǎng)從n區(qū)指向p區(qū)平衡時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)=漂移運(yùn)動(dòng)空間電荷區(qū)和自建場(chǎng)一定P－n結(jié)處于平衡態(tài)第3頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(三）能帶圖1.載流子的擴(kuò)散是由于兩區(qū)費(fèi)米能級(jí)不一致所引起的2.平衡p-n結(jié)，具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)第4頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.能帶彎曲的原因自建場(chǎng)從n區(qū)p區(qū)電勢(shì)V(x)從n區(qū)到p區(qū)電勢(shì)能qV(x)從n區(qū)到p區(qū)(四)p-n結(jié)的接觸電勢(shì)差接觸電勢(shì)差－p區(qū)和n區(qū)電勢(shì)之差勢(shì)壘高度從載流子濃度公式如何理解？第5頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四勢(shì)壘區(qū)空間電荷區(qū)結(jié)區(qū)與哪些因素有關(guān)？

n區(qū)平衡電子濃度P區(qū)平衡電子濃度同為一區(qū)域第6頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(五)

P－n結(jié)的載流子分布P區(qū)電勢(shì)低于n區(qū)電勢(shì)

(1)電勢(shì)V(x)

p區(qū)：

n區(qū)：勢(shì)壘區(qū)中任一點(diǎn)x的電勢(shì)V(x)為正值常溫下，雜質(zhì)全電離第7頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(2)電勢(shì)能－qV(x)

勢(shì)壘區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)x處的電勢(shì)能比n區(qū)電子的電勢(shì)能高(3)勢(shì)壘區(qū)內(nèi)載流子分布A:勢(shì)壘區(qū)內(nèi)x處的電子濃度第8頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四B:勢(shì)壘區(qū)內(nèi)x處的空穴濃度

(4)估算勢(shì)壘區(qū)內(nèi)某一處的載流子濃度

A:假如x處的勢(shì)能比n區(qū)勢(shì)能高0.1ev第9頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四B:結(jié)區(qū)的載流子濃度很小，已經(jīng)耗盡。－耗盡區(qū)二.非平衡p－n結(jié)正向反向P－n結(jié)的伏安特性第10頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四P－n結(jié)的單向?qū)щ娦允且驗(yàn)閯?shì)壘的存在（一）正向偏壓下p－n結(jié)的特性非子的注入

1.p－n結(jié)勢(shì)壘的變化勢(shì)壘高度降低勢(shì)壘寬度變窄－擴(kuò)散－復(fù)合第11頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于漂移運(yùn)動(dòng)電子從n區(qū)到p區(qū)，空穴從p區(qū)到n區(qū)的凈擴(kuò)散流構(gòu)成從p區(qū)到n區(qū)的正向電流2.載流子在勢(shì)壘區(qū)外的運(yùn)動(dòng)

（1）非子的注入在處存在電子的積累，成為p區(qū)的非平衡少數(shù)載流子在處存在空穴的積累，成為n區(qū)的非平衡少數(shù)載流子外加電壓，使非平衡載流子進(jìn)入半導(dǎo)體的過(guò)程

非子電注入

（2）擴(kuò)散區(qū)第12頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四在該區(qū)完成了少子擴(kuò)散電流與多子漂移電流的轉(zhuǎn)換(3)中性區(qū)載流子濃度接近平衡值主要是多子的漂移電流通過(guò)任一截面電子電流和空穴電流不相等電流連續(xù)性原理通過(guò)任一截面的總電流相等空穴擴(kuò)散電子漂移電子擴(kuò)散空穴漂移第13頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.正向p－n結(jié)能帶圖平衡p－n結(jié)能帶圖正向偏壓下p－n結(jié)能帶圖(1)勢(shì)壘區(qū)和擴(kuò)散區(qū)存在非子(2)中性區(qū)非子基本復(fù)合完畢電流通過(guò)p－n結(jié)第14頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.P－n結(jié)正向電流公式第15頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四平衡p－n結(jié)正向偏壓下第16頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四同樣第17頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

（二)反向偏壓下p－n結(jié)的特性非子的產(chǎn)生1.P－n結(jié)勢(shì)壘的變化在反偏下勢(shì)壘區(qū)加寬勢(shì)壘高度增高漂移運(yùn)動(dòng)大于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

2.少子的抽取邊界處的少子掃向?qū)Ψ?，體內(nèi)補(bǔ)充少子的抽取－擴(kuò)散－抽取第18頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.反向p－n結(jié)的能帶圖第19頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（1）勢(shì)壘區(qū)和擴(kuò)散區(qū)存在非子正偏反偏（2）正偏反偏擴(kuò)散區(qū)存在少子注入擴(kuò)散區(qū)存在少子抽取這兩個(gè)區(qū)4.P－n結(jié)反向電流公式－反向飽和電流密度第20頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（三）理想p－n結(jié)的電流－電壓公式1.小注入2.突變耗盡層3.忽略勢(shì)壘區(qū)中載流子的產(chǎn)生和復(fù)合4.載流子分布滿足玻爾茲曼分布從p區(qū)流向n區(qū)的正向電流從n區(qū)流向p區(qū)的反向電流

實(shí)際p－n結(jié)的電流－電壓公式與理想有較大的偏差第21頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三.p－n結(jié)電容“存”“放”電荷的特性1.勢(shì)壘電容正偏反偏

勢(shì)壘區(qū)的空間電荷數(shù)量隨外加電壓的變化所產(chǎn)生的電容效應(yīng)發(fā)生在勢(shì)壘區(qū)第22頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.擴(kuò)散電容

擴(kuò)散區(qū)的電荷數(shù)量隨外加電壓的變化所產(chǎn)生的電容效應(yīng)發(fā)生在擴(kuò)散區(qū)3.說(shuō)明(1)電容值隨外加電壓變化

可變電容(2)反偏時(shí)，勢(shì)壘電容為主，擴(kuò)散電容很小正偏時(shí)，既有勢(shì)壘電容，也有擴(kuò)散電容

（3）勢(shì)壘電容效應(yīng)明顯，擴(kuò)散電容效應(yīng)不明顯第23頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四四.p－n結(jié)擊穿－擊穿電壓1.雪崩擊穿

碰撞電離引起載流子倍增碰撞電離使載流子濃度急劇增加的效應(yīng)為載流子倍增效應(yīng)反偏壓很大勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)很強(qiáng)第24頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四A:勢(shì)壘高度↑↑B:能帶很傾斜C:P區(qū)價(jià)帶頂比n區(qū)導(dǎo)帶底高D:A點(diǎn)電子能量和B點(diǎn)電子能量相等E:p區(qū)A點(diǎn)電子有一定幾率穿過(guò)禁帶進(jìn)入n區(qū)導(dǎo)帶的B點(diǎn)2.隧道擊穿(齊納擊穿）在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，發(fā)生隧道效應(yīng)F:短到一定程度，大量電子從p區(qū)價(jià)帶通過(guò)隧道穿透，進(jìn)入n區(qū)導(dǎo)帶G:反向電流↑↑，p－n結(jié)發(fā)生隧道擊穿第25頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（三）兩種擊穿的主要區(qū)別1.隧道擊穿主要取決于外場(chǎng)雪崩擊穿除與電場(chǎng)有關(guān)還與勢(shì)壘區(qū)寬度有關(guān)

2.隧道擊穿雪崩擊穿3.一般摻雜雪崩擊穿為主重?fù)诫s隧道擊穿為主第26頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四{7.2半導(dǎo)體表面表面狀態(tài)的變化會(huì)影響半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性、可靠性利用表面效應(yīng)可制作MOS器件、CCD器件、表面發(fā)光器件等一.純凈表面和實(shí)際表面純凈表面沒(méi)有雜質(zhì)吸附層和氧化層的理想表面（1）超高真空下解理（2）高溫加熱（3）離子轟擊實(shí)際表面外表面內(nèi)表面

與體內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)不同的原子層第27頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二.表面態(tài)（1）從能帶角度當(dāng)晶體存在表面，在垂直表面方向成了半無(wú)限周期勢(shì)場(chǎng)表面存在而產(chǎn)生的附加電子能級(jí)－表面能級(jí)對(duì)應(yīng)的電子能態(tài)－表面態(tài)第28頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（2）從化學(xué)鍵角度表面是原子周期排列終止的地方未飽和鍵－懸掛鍵純凈表面的表面態(tài)密度為實(shí)際表面的表面態(tài)密度

三.表面電場(chǎng)效應(yīng)1.表面電場(chǎng)（1）表面態(tài)與體內(nèi)電子態(tài)之間交換電子（2）金屬－半導(dǎo)體接觸（3）MOS結(jié)構(gòu)和MIS結(jié)構(gòu)第29頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.空間電荷層及表面勢(shì)（1）n型P型A:電子從體內(nèi)轉(zhuǎn)移到表面態(tài)－表面受主態(tài)B:正空間電荷層第30頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四C:表面勢(shì)為D:空間電荷層能帶彎曲電子勢(shì)壘空穴勢(shì)阱n型P型（2）n型P型第31頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四A:電子從表面態(tài)轉(zhuǎn)移到體內(nèi)－表面施主態(tài)B:負(fù)空間電荷層C:表面勢(shì)D:電子勢(shì)阱空穴勢(shì)壘n型P型空穴勢(shì)壘電子勢(shì)阱第32頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.空間電荷層內(nèi)載流子濃度的變化體內(nèi)在空間電荷層內(nèi)，電勢(shì)能變化4.表面空間電荷層的三種基本狀態(tài)（1）積累層能帶從體內(nèi)到表面上彎以p型為例空間電荷層的載流子濃度與體內(nèi)的關(guān)系第33頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四空間電荷層處于多子堆積狀態(tài)－積累層（2）耗盡層能帶從體內(nèi)到表面下彎空間電荷層處于多子耗盡狀態(tài)－耗盡層－參考能級(jí)第34頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四反型層耗盡層（3）反型層{7.3金屬－半導(dǎo)體接觸n型導(dǎo)電性反型層耗盡層熱蒸發(fā)濺射電鍍（1）整流接觸單向?qū)щ娦裕?）歐姆接觸低電阻的非整流接觸第35頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)一.肖特基勢(shì)壘

功函數(shù)費(fèi)米能級(jí)上的電子逸出體外所作的功－電子親和能－真空能級(jí)功函數(shù)不同費(fèi)米能級(jí)高低不一致－系統(tǒng)不平衡載流子流動(dòng)形成空間電荷層自建場(chǎng)勢(shì)壘系統(tǒng)平衡費(fèi)米能級(jí)一致第36頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.肖特基勢(shì)壘高度肖特基勢(shì)壘高度3.金－半接觸類型決定SBD特性的重要物理參數(shù)第37頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四A:金屬與n型半導(dǎo)體接觸電子勢(shì)壘n型阻擋層電子勢(shì)阱n型反阻擋層B:金屬與p型半導(dǎo)體接觸空穴勢(shì)阱空穴勢(shì)壘P型反阻擋層P型阻擋層第38頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四對(duì)于一定的半導(dǎo)體一定隨金屬功函數(shù)變化例：理論計(jì)算：實(shí)際測(cè)試：？許多半導(dǎo)體形成阻擋層不管還是？

表面態(tài)的存在二.巴丁模型P型反阻擋層P型阻擋層第39頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四涉及三個(gè)子系統(tǒng)的平衡

金屬

表面態(tài)

半導(dǎo)體1.半導(dǎo)體與表面態(tài)接觸n型：p型：

n型表面受主態(tài)表面能級(jí)接受電子帶負(fù)電空間電荷層帶正電能帶由體內(nèi)到表面向上彎曲形成電子勢(shì)壘第40頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.半導(dǎo)體－表面態(tài)系統(tǒng)與金屬接觸流向金屬的電子主要來(lái)自表面態(tài)因表面態(tài)密度比較高，能夠提供足夠多的電子半導(dǎo)體勢(shì)壘區(qū)幾乎不變化

平衡時(shí)金屬中的電子流向表面態(tài)基本保持不變第41頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.巴丁極限對(duì)于大多數(shù)半導(dǎo)體表面態(tài)密度在以上平衡時(shí)費(fèi)米能級(jí)位于價(jià)帶上方三分之一的禁帶寬度處不論n型半導(dǎo)體還是p型半導(dǎo)體與金屬接觸

形成阻擋層三.金－半接觸的整流特性阻擋層的整流作用外加電壓阻擋層的平衡被破壞產(chǎn)生電流n型P型第42頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.定性解釋

注意與p-n結(jié)的不同V=0電子電流大小相等，方向相反。（1）平衡時(shí)（2）正向偏壓（金屬接正）半導(dǎo)體一邊的勢(shì)壘高度降低，金屬一邊的勢(shì)壘高度基本不變.從半導(dǎo)體流向金屬的電子數(shù)多于從金屬流向半導(dǎo)體的電子數(shù).形成方向從金屬到半導(dǎo)體的正向電流V>0界面兩邊的金屬和半導(dǎo)體相互發(fā)射的構(gòu)成動(dòng)態(tài)平衡，凈電流為零。第43頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（3）反向偏壓（金屬接負(fù)）勢(shì)壘增高金屬流向半導(dǎo)體的電子數(shù)占優(yōu)勢(shì)形成方向從半導(dǎo)體到金屬的反向電流很高、且不隨外加電壓變化，反向電流很小，并趨于飽和。V<0對(duì)于p型阻擋層，正反向電壓的極性與n型阻擋層相反正向電流對(duì)應(yīng)于多子從半導(dǎo)體到金屬所形成的電流n型P型正向反向正向反向第44頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.金－半整流接觸的電流－電壓關(guān)系與p-n結(jié)有相似的形式（1）熱電子發(fā)射理論貝特建立勢(shì)壘區(qū)寬度d比載流子自由程L小的多動(dòng)能的電子越過(guò)勢(shì)壘并通過(guò)界面發(fā)射到金屬中（2）擴(kuò)散理論肖特基建立載流子無(wú)碰撞渡越勢(shì)壘擴(kuò)散越過(guò)勢(shì)壘，在界面處向金屬發(fā)射電流密度方程電流－電壓關(guān)系第45頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四A:界面處的電子濃度B:1/6射向金屬C:電流密度半導(dǎo)體體內(nèi)電子濃度忽略，雜質(zhì)全電離平衡時(shí)，界面處電子濃度正向電壓，界面處電子濃度第46頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四加反向偏壓正向V>0反向V<0從金屬到半導(dǎo)體的熱電子發(fā)射形成的電流不隨外加電壓變化通過(guò)肖特基勢(shì)壘二極管的總電流密度正向V>0反向V<0正反向偏壓統(tǒng)一第47頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四是勢(shì)壘高度和溫度的函數(shù)勢(shì)壘高度對(duì)肖特基勢(shì)壘二極管電流的影響第48頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）與p-n結(jié)二極管的比較（1）SBD高頻性能好、開(kāi)關(guān)速度快SBD的電流為多子電流，不發(fā)生電荷存儲(chǔ)效應(yīng)p-n結(jié)二極管為少子電流，存在電荷存儲(chǔ)效應(yīng)越過(guò)勢(shì)壘成為漂移電流先積累、再擴(kuò)散限制了器件在高頻和高速器件中的應(yīng)用（2）SBD正向?qū)妷旱蚐BD的電子熱運(yùn)動(dòng)速度p-n結(jié)二極管的電子擴(kuò)散速度在同樣的正向電壓下

第49頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四四.歐姆接觸接觸電阻小電流－電壓關(guān)系應(yīng)具有對(duì)稱和線性的關(guān)系若考慮表面態(tài)，金屬－半導(dǎo)體接觸形成整流勢(shì)壘勢(shì)壘的存在必然使電流－電壓關(guān)系呈非對(duì)稱和非線性利用隧道效應(yīng)形成歐姆接觸隧道穿透幾率依賴于隧道長(zhǎng)度L若較低，L較寬，隧道效應(yīng)忽略，電流－電壓關(guān)系由熱電子發(fā)射理論或擴(kuò)散理論得出是非對(duì)稱和非線性。高摻雜第50頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四隧道電流與外加電壓關(guān)系采用隧道電流為主要電流{7.4異質(zhì)結(jié)導(dǎo)電類型相同的兩種不同半導(dǎo)體材料所形成由導(dǎo)電類型相反的同種半導(dǎo)體材料接觸而構(gòu)成－同質(zhì)結(jié)由兩種不同的半導(dǎo)體材料接觸而構(gòu)成－異質(zhì)結(jié)（1）同型異質(zhì)結(jié)p-pGe-GaAsn-nGe-GaAs第51頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（2）反型異質(zhì)結(jié)導(dǎo)電類型相反的兩種不同半導(dǎo)體材料所形成p-nGe-GaAsn-pGe-GaAs禁帶寬度較小的半導(dǎo)體材料寫(xiě)在前面一.理想異質(zhì)結(jié)的能帶圖不考慮表面態(tài)取決于禁帶寬度、功函數(shù)、電子親和能1.突變反型異質(zhì)結(jié)能帶圖下標(biāo)為“1”者為禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料的物理參數(shù)下標(biāo)為“2”者為禁帶寬度大的半導(dǎo)體材料的物理參數(shù)

兩種材料的過(guò)渡發(fā)生于幾個(gè)原子間距形成突變p-n異質(zhì)結(jié)之前的能帶圖（1）突變p-n異質(zhì)結(jié)第52頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四形成突變p-n異質(zhì)結(jié)之后的平衡能帶圖電子從n型半導(dǎo)體流向p型空穴的流動(dòng)方向相反直至兩塊半導(dǎo)體有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)交界面的兩邊形成空間電荷層n型半導(dǎo)體一邊為正空間電荷層P型半導(dǎo)體一邊為負(fù)空間電荷層不考慮界面態(tài)正負(fù)空間電荷數(shù)相等空間電荷層內(nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)能帶發(fā)生彎曲第53頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四能帶總的彎曲量

異質(zhì)結(jié)能帶的特點(diǎn)：A:能帶在交界面處不連續(xù)，有一個(gè)突變導(dǎo)帶底在交界面處的突變價(jià)帶頂在交界面處的突變而且對(duì)所有突變異質(zhì)